有色金属材料与工程  2017, Vol. 38 Issue (4): 239-246   PDF    
扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展
高文静, 雷君相     
上海理工大学 材料科学与工程学院, 上海 200093
摘要:扩散连接技术是一种缺陷少、精密度高的固相连接技术.扩散连接技术在钛合金加工中的应用一定程度上解决了钛合金加工难的问题.在简要介绍扩散连接技术及钛合金加工现状的基础上,综述了扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展,包括钛合金与不锈钢的扩散连接、钛合金与陶瓷材料的扩散连接、TC4(Ti-6Al-4V)钛合金的扩散连接与超塑成型/扩散连接(SPF/DB)以及TA15钛合金的扩散连接.归纳总结了国内外学者的研究成果,对影响扩散连接质量的3个主要因素温度、压力和时间进行了对比分析,为最佳工艺参数的选择提供了参考,指出了目前需要解决的问题和发展方向.
关键词扩散连接    钛合金    TC4    SPF/DB    
Application and Research Progress of Diffusion Bonding Technology in Titanium Alloy Processing
GAO Wenjing, LEI Junxiang     
School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
Abstract: Diffusion bonding is a solid phase joining technology with few defects and high precision.The application of diffusion bonding in the processing of titanium alloy, to some extent, can solve the difficult problem of titanium alloy processing.In this paper, the research progress of diffusion bonding in titanium alloy processing has been reviewed.It includes the diffusion connection of titanium alloy and stainless steel, the diffusion connection of titanium alloy and ceramic material, the diffusion connection of TC4 titanium alloy, SPF/DB technology, and the diffusion connection of TA15 titanium alloy.In this paper, the temperature, pressure and time of the three main factors influencing the quality of diffusion connection are also compared and analyzed, which provides a reference for the selection of the optimum process parameters, and points out the problems and development directions that need to be solved.
Key words: diffusion bonding     titanium alloy     TC4     SPF/DB    

近年来随着材料科学的不断发展、新材料的出现, 为了解决同种或异种材料间的连接问题, 扩散连接技术因其独特的固相连接优势引起了人们的重视, 成为了材料连接领域新的研究热点.目前世界上有很多先进的工业国家都对其进行了广泛的研究和应用.扩散连接技术可用于生产制造新器件, 能满足航空航天、电气设备、机械工业和核工业研究等装置中关键零部件特殊的连接要求[1-2], 在工业制造中发挥着越来越重要的作用.作为世界“第三金属”的钛及钛合金因其优异的性能在很多领域得到了应用.但由于钛合金材料具有传热系数小、比热低、化学性质活泼等特点, 其机械加工的难度较大, 是目前较难加工的材料之一.机械加工困难一定程度上成为钛合金应用和发展的瓶颈, 所以解决钛合金加工问题的新技术新方法也成为了人们的研究热点[3].本文综述了扩散连接技术在钛合金加工中的应用及研究进展, 包括钛合金与不锈钢、陶瓷材料的扩散连接, 常用TC4钛合金和TA15钛合金的扩散连接, 总结了国内外学者的研究成果, 对影响扩散连接质量的3个主要因素温度、压力、时间进行了对比分析, 为最佳工艺参数的选择提供了参考, 最后指出了目前需要解决的问题和发展方向.

1 扩散连接技术的原理及特点 1.1 扩散连接的原理

扩散连接指的是互相接触的材料表面, 在高温、压力和真空或保护气氛的作用下, 相互靠近从而发生局部塑性变形, 经过一定时间后结合层的原子相互扩散, 最终形成整体可靠连接的过程.与普通焊接方式不同的是, 扩散连接并不发生熔化和宏观塑性变形, 这也是它的优势所在.没有金属液的熔化, 直接通过固相原子相互扩散达到连接的目的, 避免了普通焊接中因金属熔化而产生的缺陷.从可连接性的角度看, 扩散连接可以实现各种材料、各种特殊结构的可靠连接[4-5].

扩散连接过程通常分为三个阶段[2]:第一阶段为物理接触阶段.扩散连接时, 经过处理的表面仍然呈现微观的凹凸不平, 材料之间的接触主要以点接触为主, 高温下对其施加压力, 部分接触的点最先产生塑性变形, 经过持续的压力作用, 接触面积逐渐增大, 形成紧密接触, 得到满足要求的扩散连接接头.第二阶段为扩散及界面推移阶段.在此阶段紧密接触的界面原子进行扩散迁移, 此时扩散连接接头处连接方式主要为金属键, 经过一定的保温时间后, 扩散的结合层达到一定深度, 金属键连接变成牢固的冶金连接.第三阶段为界面和孔洞消失阶段, 主要的形式为体积扩散.通过继续扩散作用, 界面孔洞逐渐消失, 接头组织成分趋于均匀, 原始界面消失, 该过程速度较缓慢, 通常需要几十分钟到几十小时不等.

扩散连接过程示意图如图 1所示.

图 1 扩散连接过程示意图[2] Fig. 1 Sketch map of diffusion bonding process[2]
1.2 扩散连接的特点

扩散连接技术的主要特点如下[2]:

(1) 扩散连接适合进行内部连接和多点、大面积构件的连接, 以及电弧可达性较差, 用传统焊接方法无法实现的连接.

(2) 扩散连接可以进行耐热材料、陶瓷材料、磁性材料及活泼金属的连接.尤其适合于不同种类的金属材料与非金属异种材料的连接.异种材料的扩散连接研究占到整个扩散连接技术研究的70%.

(3) 扩散连接技术对装配等条件要求严格, 使它成为了一种高精密的连接方式.扩散连接后, 工件的残余应力小, 基本不产生变形, 可实现机械加工后的精密装配连接.

2 钛合金加工 2.1 钛合金的应用及发展

钛合金因其具有优越的综合性能, 成为了一种理想的结构材料.钛合金具有两个主要的优点[6]:一是其密度小而强度高, 且有较好的高温性能, 能在600 ℃高温下工作而表现突出; 二是其具有较强的耐腐蚀性, 可以在酸性介质中工作, 抗腐蚀性能优于不锈钢.由于性能优越, 钛合金在很多领域都得到了广泛的应用.在航空航天领域, 钛合金是不可缺少的“太空金属”, 在飞机机身、发动机和火箭部件的制造中起到了重要的作用.在其他领域, 钛合金的用量也在逐年上升, 发挥着越来越重要的作用, 在船舶、汽车、医疗、能源和化工等领域体现尤为明显.在船舶工业中, 钛合金优异的抗腐蚀性能及比强度高、无磁的特点, 使其非常适合海洋环境, 已成功应用到船舶的重要部件上, 比如船壳体、螺旋桨和阀体等.在汽车工业中, 钛合金的优良性能为汽车的节能减排作出了很大贡献[7].

2.2 钛合金的加工现状

钛合金常用的机械加工方式有磨削、铣削、切削和锻造等, 但钛合金的低加工效率、高加工成本等问题一直是限制其发展的瓶颈[8-9].钛合金目前仍被认为是难加工材料之一, 造成其难加工的原因主要为[10-12]:(1) 钛合金的传热系数较小, 机械加工时切屑接触区域产生的高温难以及时排除, 而钛合金较小的传热系数加剧了高温的形成, 使得加工热过大; (2) 钛合金的比强度较高, 加工温度较高时, 刀具磨损严重; (3) 钛合金的化学性质活泼, 机械加工时易与刀具产生氧化反应, 产生加工硬化等问题; (4) 钛合金的弹性模量小, 机械加工过程中不稳定, 容易磨损刀具.虽然钛合金难以机械加工, 但是其在工业制造领域尤其是飞机制造行业中仍然不可或缺.所以寻求方法降低钛合金的加工难度、提高加工效率和材料利用率以及降低加工制造成本成为人们研究的热点.

扩散连接技术在钛合金加工中的应用研究体现在钛合金本身及与其他材料的连接、钛合金零件的批量生产、飞行器结构件轻量化等方面, 同时利用扩散连接与超塑成形技术的组合进行加热压力加工, 克服了传统加工工艺的缺点, 材料的利用率达到90%以上[13].研究表明, 扩散连接技术可以很好地应用在钛合金的加工中, 一定程度上为其加工难问题提供了解决途径, 值得进一步开发和完善.

3 扩散连接在钛合金加工中的应用 3.1 钛合金与不锈钢的扩散连接

通过扩散连接技术将钛合金与不锈钢结合起来, 充分发挥两种材料各自的优势, 可以取长补短, 同时能满足产品经济与性能的要求, 在市场上拥有广阔的应用前景.周荣林等[14]研究了钛合金与不锈钢网的扩散连接, 对TC4钛合金和00Crl8Ni10不锈钢采用直接扩散工艺.研究表明该工艺下的最佳工艺参数为连接温度880 ℃, 连接压力10 MPa, 连接时间0.5 h, 接头强度74 MPa, 接头界面近区变形率<1%.秦斌等[15-16]用相变超塑性扩散连接法实现了TA17钛合金与0Cr18Ni9Ti不锈钢之间的连接.试验得到钛合金与不锈钢扩散连接的最优工艺参数是循环上限温度890 ℃, 循环下限温度800 ℃, 循环10次, 循环加热速度为30 ℃/s, 扩散连接压力5 MPa, 时间仅为160 s, 接头强度可达307 MPa.其相变超塑性扩散连接工艺过程如图 2所示.李小强等[17]用Pt-Ni合金作中间层进行了TC4钛合金和00Crl8Ni10不锈钢的扩散连接试验, 得到了强度为146 MPa的连接接头, 比直接连接的强度提高近1倍.扩散连接的最佳工艺参数为连接温度850 ℃, 连接压力10 MPa, 连接时间10~15 min, 中间层厚度30 μm.Balasubramanian等[18-20]对TC4钛合金和304不锈钢以Ag为中间层的扩散连接进行了研究, 在750~800 ℃时成功进行了连接, 在5 MPa, 1.5 h条件下连接接头获得了最大搭接剪切强度.

图 2 相变超塑性扩散连接(PTDB)示意图[16] Fig. 2 Sketch map for PTDB[16]
3.2 钛合金与陶瓷的扩散连接

陶瓷材料性能优良但本质较脆, 加工性差, 复杂结构中往往需要和金属材料连接使用才能满足要求, 比如综合性能较高的钛合金.扩散连接技术非常适合异种材料间的连接, 国内外学者对钛合金与陶瓷材料间的扩散连接也进行了很多研究.Wickman等[21]对TC4钛合金/TiAl基复合材料/A12O3陶瓷三层结构真空扩散连接进行了研究.结果表明, 三层结构均获得了较好的连接效果, 较好的工艺参数分别为, 时间/温度:1 573 K/360 ks, 1 523 K/360 ks和1 473 K/360 ks.王义峰等[22]对置氢TC4钛合金与A12O3陶瓷的扩散连接进行了研究, 试验得到的接头抗剪强度最大为128 MPa, 表明置氢有助于提高TC4钛合金接头性能, 改善扩散连接质量.试验的最优工艺参数为连接温度840 ℃, 保温时间90 min, 连接压力3 MPa, 氢质量分数为0.4%.对扩散连接接头压剪断口进行XRD分析可知, 接头界面处主要为Ti3Al2和AlTiO5相, 图 3为断口的XRD分析结果.

图 3 TC4/Al2O3接头断口XRD分析结果[22] Fig. 3 XRD pattern of the fracture of TC4/Al2O3 joint[22]
3.3 TC4钛合金的扩散连接 3.3.1 TC4钛合金扩散连接技术研究进展

TC4钛合金是目前使用最广泛的钛合金, 其用量约占钛合金整体用量的一半.TC4钛合金综合性能强, 其强度、塑性、韧性、耐高温性、焊接性、抗腐蚀性和生物相容性等均较好, 被称为钛合金工业中的“王牌合金”, 其他许多钛合金都可以看作是它的改型[23].

扩散连接技术在TC4钛合金中的应用研究广泛, 主要是影响因素的研究.影响扩散连接质量的因素有很多, 连接温度、连接压力、保温时间、接头表面状态、保护气体及中间层的选取等, 其中重要的因素是连接温度、压力和保温时间.这些主要的因素相互影响相互制约, 连接参数的选择就是控制这些因素, 最终得到综合性能良好的扩散连接接头[2].

林兆荣等[24]经过大量的试验, 提出了进行TC4钛合金扩散连接的大致工艺参数范围为:宜选连接温度900~950 ℃, 连接压力1~5 MPa, 保温时间30~180 min.周克印等[25]对TC4钛合金扩散连接后的疲劳断裂特性进行了研究, 由疲劳断裂试件的断口形貌分析发现, 裂纹扩展为穿晶断裂.通过对比试验表明, 当温度与压力选择合适时, 扩散连接处界面上的金相组织变成了针状魏氏体.此时晶粒尺寸变大, 使得在疲劳裂纹扩展过程中阻止缺陷扩展的能力增强, 提高了其抗疲劳断裂的性能.试验所用的TC4钛合金板材最佳工艺参数为连接压力为2.94 MPa, 温度为960 ℃, 保温时间2 h, 扩散连接对延缓疲劳裂纹扩展起到一定作用, 使其抗疲劳断裂性能有所改善.

施晓琦[26]对TC4钛合金单层板加强结构SPF/DB工艺进行了研究, 得到最优扩散连接工艺参数为:连接温度920 ℃, 加载压力3.0 MPa, 保温时间1.5 h.崔元杰[27]制作了超塑成形/扩散连接三层板结构件, 采用温度900 ℃, 压力2.5 MPa, 时间1 h的扩散连接工艺参数, 焊合率最大达到99.5%.韩文波等[28]采用气压成形方法进行了超塑成形/扩散连接四层板结构件的研究, 其中扩散连接工艺参数为:连接温度930 ℃, 保温时间0.5 h, 连接压力10 MPa.

Ma等[29]对飞行器口盖扩散连接工艺进行了研究, 口盖材料采用TC4钛合金.试验发现, 当扩散连接温度为910 ℃, 压力为1.5 MPa, 保温时间为1 h时, 扩散连接的质量最好.采用S314005对扩散连接后毛坯进行超声检测, 焊合区域不小于90%, 单个焊合面积不大于50 mm2, 相邻两个未焊合缺陷区域的间距不小于其中较大缺陷轴长度.扩散连接后材料的显微组织为等轴相+晶间β相, 等轴晶粒度级别指数大于9级, 较原始组织没有发生太大变化.

张蕾等[30-31]对置氢TC4钛合金的扩散连接进行了研究, 试验结果表明:扩散连接界面孔洞弥合率因氢元素的加入而显著提高.置氢TC4钛合金扩散连接最优工艺参数为:连接温度775 ℃, 连接压力4 MPa, 保温时间为1 h, 置氢质量分数0.4%, 对接头进行室温拉伸强度测试, 拉伸强度达1 017 MPa, 接近母材强度, 接头有良好的塑性, 断口兼具韧窝及撕裂棱形貌特征.图 4为拉伸试样断口宏观与微观形貌.

图 4 置氢TC4钛合金扩散连接拉伸试样断口[30] Fig. 4 Fracture of hydrogenated TC4[30]

王国峰等[32-33]在封边焊后成形温度920 ℃, 成形时间t=2 h, 成形压力2 MPa的条件下进行TC4钛合金中空叶片扩散连接-超塑成形技术的研究.成形后对扩散连接接头厚度进行测量, 扩散连接接头附近的厚度较小, 其他区域厚度分布均匀, 成形质量较好.图 5是在不同的保温时间下扩散连接接头的显微图.由图 5可知, 在保温时间较短的时候, 形成的孔洞是比较连续的大孔洞; 保温时间稍微长一些, 形成的孔洞是零散孔洞; 保温时间2 h时, 孔洞基本消失.

图 5 扩散连接效果[32] Fig. 5 Effect of diffusion bonding[32]

吴心晨[34]对涡轮用宽弦空心风扇叶片的扩散连接工艺进行了研究, 试验表明当TC4钛合金扩散连接的面积较大时, 应适当加长扩散连接时间, 同时控制加载压力以免零件发生变形.试验得出最优工艺参数为扩散连接温度930 ℃, 单位面积压力2.5 MPa, 保温时间1 h, 采用自动控制位移加载, 经超声检测及金相分析, 接头质量良好.

贺小帆等[35]对含中心孔结构的钛合金层板的扩散连接裂纹扩展特性进行了研究, 试验设计了3种试件, 分别为含ɸ6 mm中心孔的8 mm厚单层板材、含ɸ6 mm中心孔的三层板和含ɸ12 mm中心孔的止焊三层板(厚度分别是3, 2和3 mm), 通过疲劳对比试验得出:总厚度8 mm的钛合金三层板的裂纹扩展性能不弱于厚度8 mm的单层板; 而由于止焊区的存在, 含ɸ12 mm中心孔的止焊三层板的裂纹扩展特性得到了明显改善, 研究得到沿孔径方向的裂纹长度表征的裂纹扩展规律大致可描述为da/dN=Qab.

3.3.2 TC4钛合金的超塑成形/扩散连接(SPF/DB)

TC4钛合金不仅具有良好的扩散连接性能, 在高温下同时能获得极高的伸长率, 拥有超塑性能, 因此超塑成形技术也常用于钛合金加工.TC4钛合金超塑成形工艺的最佳温度在920 ℃左右, 而扩散连接的合适温度在870~1 280 ℃, 这两种成形技术所需的条件(温度、材料组织等)正好相互吻合, 因此将其结合起来放到一起进行, 构成了SPF/DB工艺[36].其成形的结构件整体性强, 扩散连接技术的使用代替了铆接等机械连接方式, 不仅减少了装配的工作量, 而且实现了轻量化, 图 6为3种典型的SPF/DB结构.

图 6 典型的SPF/DB结构[26] Fig. 6 Typical structure of SPF/DB[26]

SPF/DB工艺在钛合金加工中的应用, 不仅为钛合金的加工提供了一种有效的途径, 而且提高了材料利用率, 降低了生产成本, 实现了结构的整体化, 达到了轻量化的目的.SPF/DB工艺常用来制作航空航天领域所使用的薄壁结构件, 如飞机壁板、舵体、翼梁、涡轮叶片等, 并逐渐应用在建筑、车辆制造等领域, 具有很好的发展前景[37].

Han等[38]对TC4钛合金气胀SPF/DB技术制造蜂窝状结构进行了试验研究, 对SPF/DB的温度、压力、时间参数对接头剪切强度和成形件的厚度均匀性的影响进行了对比, 确定了SPF/DB的最优工艺参数.研究发现, 室温下变形时, 材料的断裂处为基体而非接口处, 证明了SPF/DB工艺可以用于制造蜂窝状空心结构.王荣华[39]研究了翼类钛合金SPF/DB的关键工艺, 分析试验结果得到DB的最优工艺参数为:温度860 ℃, 压力3 MPa, 加压时间40 min; SPF参数为:温度860 ℃, 最大进气压力1.5 MPa, 加压时间50 min.王大刚等[40]对于激光预焊芯板夹层提出了一种SPF/DB新工艺用来成形舵体零件, 通过仿真和试验研究表明:SPF/DB工艺在温度920 ℃, 最大气压1.2 MPa, 真空度5×10-3 Pa的情况下, 成形得到合格产品, 焊合率为95%以上, 壁厚分布均匀性90%以上, 晶粒长大35%以内, 新的成形工艺效果较传统工艺好.

3.4 TA15钛合金的扩散连接

TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金属于近α型钛合金, 既具备α型钛合金良好的热服役性和热连续性, 又具备与α+β型钛合金接近的工艺塑性, 是综合性能优良的钛合金.TA15钛合金可在500 ℃下长时间工作, 瞬时工作温度达到800 ℃, 在450 ℃拥有6 000 h的工作寿命[41], 常用于制造需要在500 ℃长时间工作的结构件和焊接承力件, 如发动机叶片、机架、飞机钣金件、大型壁板、接头和焊接承力架等.TA15钛合金是我国重要的结构用钛合金和损伤容限型钛合金, 在航空航天和军工等领域得到了普遍的应用[42-43].其断裂韧性、疲劳极限和抗应力腐蚀能力均比TC4钛合金高, 工艺塑性稍低于TC4钛合金[44].

杨琴[45]对TA15-TA15钛合金接头扩散连接工艺进行了研究, 通过力学性能测试及金相观察得到结论:(1) 压力与时间对抗拉强度和伸长率的影响相对较小; (2) 接头两侧组织均匀细小, 接头整齐, 存在少量气孔, 晶粒在接头扩散连接区域充分扩散, 接头连接效果良好, 实现了等强度连接; (3) 在920 ℃, 1.5 MPa, 2 h条件下, 综合力学性能最好, 室温抗拉强度达925.33 MPa, 伸长率为14.33%, 高温抗拉强度为616.5 MPa, 伸长率为24.25%.

周媛等[46]以Ti, Ni薄膜为中间层的TA15钛合金和DD6单晶合金为基体, 进行了低温扩散连接的研究.结果表明, 利用磁控溅射技术, 以Ti, Ni薄膜作为中间层进行了TA15钛合金与DD6单晶高温合金的低温扩散连接, Ti, Ni从母材一侧扩散至另一侧, 扩散连接接头组织分层, 主要为Ti2Ni和TiNi相.得到的最优工艺参数为连接温度800 ℃, 连接压力20 MPa, 保温时间2 h.图 7为该工艺参数下得到的接头组织图和接头区域元素线扫描分析结果.

图 7 接头组织图及线扫描分析[47] Fig. 7 Microstructure of joint and line scanning analysis[47]

刘佳佳等[47]对TA15钛合金扩散连接性能进行了研究, 采用正交试验的方法, 进行扩散连接工艺试验, 以焊合率为判据来获得优化的工艺参数.试验结果表明, 影响TA15钛合金扩散连接质量的主要因素为温度, 次要因素为保温保压时间, 连接压力的影响相对较小.在参数组合940 ℃/1.5 MPa/1.5 h, 940 ℃/2 MPa/ 2 h, 920 ℃/1 MPa/2 h和920 ℃/2 MPa/1.5 h扩散连接效果均较理想, 焊合率均大于95%.扩散连接温度升高时, 接头显微硬度逐渐增加, 在940 ℃时最高, 接头结合均良好.

4 结语

扩散连接技术作为一种新型的加工方式, 拥有其独特的优势, 开展对它的研究、开发、应用以及产业化对国民经济发展具有重要的现实意义.通过以上分析, 将扩散连接技术应用到钛合金加工中, 可以一定程度上解决其难加工问题, 对提高生产效率和材料利用率有着重要的作用.目前, 扩散连接技术仍然存在对加工环境要求高, 加工工艺限制大以及加工设备较难满足等需要解决的问题.随着技术的不断发展和完善, 其发展空间将会得到更大的拓展, 在钛合金等难加工材料的加工应用中具有广阔的应用前景.扩散连接技术与超塑成形工艺的结合, 为其提供了一种新的发展方向, 使得扩散连接技术能够推动制造业更好更快的发展, 在不久的将来必将迎来快速发展和应用的高峰.

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